[发明专利]一种主动休眠节点和链路的高效节能虚拟网络映射算法

摘要

本发明公开了一种主动休眠节点和链路的高效节能虚拟网络映射算法，包括构建虚拟网络映射及其能耗模型、构建虚拟网络映射多目标决策模型和底层网络资源主动休眠三个步骤。本发明通过考虑虚拟网络映射成本收益比以及系统能耗，提出多目标决策的虚拟网络映射能耗模型，在保证虚拟网络映射收益成本比的前提下降低系统能耗；由于该模型是混合整数规划模型，求解时间复杂度高，作者通过分析虚拟网络映射动态特征，定义系统饱和与非饱和状态，并提出主动休眠底层节点和链路的方法，把虚拟网络映射在一个较小的节点和链路集合中，从而减小映射路径长度，提高收益成本比、休眠节点和链路数量，有效节约系统能耗。

主权项

一种主动休眠节点和链路的节能虚拟网络映射算法，依次包括以下步骤：a)构建虚拟网络映射及其能耗模型：a1)通过无向图对底层网络建模，其中Ns为底层网络的节点集合，Ls为底层网络的链路集合，为底层网络的节点属性集合，为底层网络的链路属性集合；通过无向图对虚拟网络建模，其中Nv为虚拟网络的节点集合，Lv为虚拟网络的链路集合，为虚拟网络的节点属性集合，为链路属性集合，设置节点属性为CPU处理器资源，链路属性为带宽资源；a2)底层网络能耗主要包括节点能耗和链路能耗两个部分，定义底层网络第i个节点能耗为：其中，Pb为节点的基本能耗，Pm为节点的最大能耗，u表示处理器利用率，Pl＝Pm‑Pb，Pl为处理器利用率u的能耗因子；定义底层网络第j条链路能耗为：其中Pn为网络链路的能耗；a3)把虚拟网络的节点和链路映射到满足虚拟资源需求的底层网络的节点和链路，映射可进一步分为节点映射和链路映射：所述节点映射中一个虚拟网络的不同节点不允许映射到同一底层网络的节点，所述链路映射分为单路径映射和多路径映射；b)构建虚拟网络映射多目标决策模型：采用分层法建模把虚拟网络映射能耗模型转化为虚拟网络映射多目标决策模型：设定收益成本比r/c和系统能耗PAver两个目标，并给出重要性序列：r/c，PAver；首先针对r/c目标，找到满足最大收益成本比r/c的虚拟网络映射解集合R0，然后在R0内，求满足最小系统能耗PAver的虚拟网络映射解集合R1，具体虚拟网络映射的多目标决策模型如下：目标函数：收益成本比最大化约束：容量约束：传输约束：一个虚拟节点映射到一个底层节点的约束：相同虚拟节点不能映射到同一底层节点的约束：其中，CPU(j)表示如果j是底层节点，则CPU(j)是底层节点j剩余CPU资源量，如果j是虚拟节点，则CPU(j)是虚拟节点j请求的CPU资源量；BWL(ljk)表示如果ljk为底层链路，则BWL(ljk)是底层链路ljk剩余带宽，如果ljk为虚拟链路，则BWL(ljk)是虚拟链路ljk请求带宽；为二进制变量，当虚拟节点u映射到底层节点j上，则否则NNo为虚拟网络节点数量；为二进制变量，当虚拟链路luw映射到底层链路ljk上，则否则表示底层节点i到j为虚拟网络分配的带宽总量，由一个或者多个虚拟链路luv带宽组成，LDBW(u,w)为虚拟链路带宽，u和w是虚拟链路的两个端点，Lv为虚拟链路集合；bw(lv)为虚拟链路lv请求的带宽；为虚拟链路lv分配的底层链路ls带宽，为虚拟链路lv分配的底层链路；c)底层网络资源主动休眠：c1)网络虚拟化动态特征及系统状态的描述：网络虚拟化动态特征包括虚拟网络、底层网络和虚拟网络映射算法动态特征，系统状态包括系统饱和状态以及系统非饱和状态；当系统处于非饱和状态时，底层网络具有足够的资源，能够映射所有的虚拟网络请求，虚拟网络接收率达到100％，系统收益达到最高值；当系统处于饱和状态，底层网络没有足够的资源，不能映射所有的虚拟网络请求，虚拟网络接收率小于100％；c2)底层网络节点和链路主动休眠算法：底层网络链路休眠数量：设Rv表示一个时间窗内到达的虚拟网络请求数量，其数学期望为E(Rv)；表示一个虚拟网络的链路数量，其数学期望为表示一条虚拟链路带宽，其数学期望为Sv表示一个虚拟网络的生存时间，其数学期望为E(Sv)，计算映射的虚拟网络链路资源Res(VSl),即在非饱和状态下，式中mr为1，是一个时间窗的虚拟网络请求链路资源的总和，设定链路资源整体利用率crl，通过链路资源整体利用率crl以及底层网络链路的总和，计算可使用的底层网络链路资源Res(Sl)，即Res(Sl)＝crl·Σbws，其中bws为底层网络带宽，Σbws为底层网络带宽总和；在非饱和状态下，可以休眠底层网络链路，以达到节能的目的，计算休眠的底层网络链路数量sleepl公式如下：其中，Res(Sl)为非饱和状态下的可以使用的底层网络链路资源，crl为通过训练所得，不同映射算法crl是不同的；Res(VSl)表示一个时间窗的所有虚拟网络链路资源总量；表示一条底层网络链路带宽的数学期望；INT_表示取下整函数，根据sleepl的计算结果，判断是否可以休眠链路：如果sleepl大于0，说明可以通过休眠底层网络链路的方式节能；如果小于等于0，则说明不能通过休眠链路的方式节能，否则将会影响系统收益以及虚拟网络映射成功率；底层网络节点休眠数量：设表示一个虚拟网络的节点数量，其数学期望为表示一个虚拟节点CPU处理器资源量，其数学期望为计算映射的虚拟网络节点资源Res(VSn),即在非饱和状态下，式中mr为1，是一个时间窗的虚拟网络请求节点资源的总和，设定节点资源整体利用率crn，通过节点资源整体利用率crn以及底层网络节点CPU资源量的总和，计算可使用的底层网络节点资源Res(Sn)，即Res(Sn)＝crn·ΣCPUs，其中CPUs为底层网络CPU资源量，ΣCPUs为底层网络CPU资源量总和，在非饱和状态下，可以休眠底层网络节点，以达到节能的目的，计算休眠的底层网络节点数量sleepn公式如下：其中，Res(Sn)为非饱和状态下的可以使用的底层网络节点资源，crn为通过训练所得，不同映射算法crn是不同的；Res(VSn)表示一个时间窗的所有虚拟网络链路资源总量；表示一条底层网络节点CPU资源的数学期望，根据sleepn的计算结果，判断是否可以休眠节点：如果sleepn大于0，说明可以通过休眠底层节点的方式节能；如果小于等于0，则说明不能通过休眠节点的方式节能，否则将会影响系统收益以及虚拟网络映射成功率；用sln表示底层网络链路已经休眠的数量，用snn表示为底层网络节点已经休眠的数量，初始化所有的节点和链路为激活状态后计算底层网络节点的度；找到最小度的激活节点，休眠该底层网络节点以及与该节点相连的链路，并记录休眠底层网络节点和链路数量，更新底层网络节点的度，这样可以保证底层网络的连通性，运行过程应满足sln＜sleepl&&snn＜sleepn条件，表示休眠底层网络节点或链路两者必须同时不能超过计算的数量，否则将会影响收益成本比、系统收益及虚拟网络接收率。